利用移动电弧处理熔融金属 【技术领域】
本发明涉及对黑色金属和有色金属的铸造的改进。
更具体地说，本发明提供一种设备和方法，用于在铸造过程中减少金属铸件中的夹杂物、缩孔、气孔和偏析，并且用于改善锭坯及其它铸件的晶粒结构、机械性能和产量。
尽管金属的铸造已经有上千年的历史，但是直到今天在生产完美的重力浇铸件方面仍然存在一些困难。在铸造过程中，液态金属被注入到一个铸模中，接近模壁的液体首先冷却并凝固，而铸件中心的液体也随后冷却并凝固。由于冷却过程实质上伴随着收缩，在铸件中(通常在其上部中心区中)形成被称为缩孔的一个或多个孔。在钢产品中，缩孔导致锭坯顶部的5-20％不能被接受，其因此被切除并废弃。一种减少由缩孔造成的损失的尝试是对钢包中的软钢(低碳钢)进行局部的脱氧，以便缩孔转变成大量分布的小孔，而通过轧制可以使这写小孔闭合。对于这一问题更普遍地解决方案是利用压板或粉末施加放热或绝热冒口。该冒口可以在锭坯的顶部保持一个熔融金属储备池，以便将气孔送入熔融金属。
在通常的砂型铸造过程中产生类似形式的浪费。为了确保铸模完全充满，采用多个大的冒口，以利于金属进入到模具中。在铸件离开铸造车间之前，将冒口切去并废弃。
金属合金铸造中的另一个效果是在冷却过程中支晶的形成，在凝固过程中形成的这些支晶作为熔体中的许多点形成晶格结构。在支晶的形成过程中，杂质、例如金属氧化物和氮化物被推向外部，形成晶粒的晶界，它们随后形成在最终成分中引发裂纹的部位。杂质的集中被称为夹杂物。慎重的模具设计和较低的浇注温度可以在一定程度上克服这一问题。
来自大气或其它来源的气体也存在于液态金属中，它们主要造成铸造气孔。通过在真空室中铸造液态合金，可以显著减小氢、氧和其它气体的夹杂物，但是该工艺仅对于最高品质合金的生产是经济的。
现在，连续铸造是生产长的金属锭坯(方坯、初轧坯和板坯)的主要方法，在完全凝固之后将其切割任何所需的长度。在最有用的系统中，将金属从一个中间包连续浇注到一个水冷模中。利用辊子使铸棒前进，并通过喷水进行冷却。采用这种方法，气孔、杂质、裂纹和粗大的晶粒尺寸的问题均会表现出来，并且已经进行了很多的努力来克服这些问题。
在美国专利No.4,307,280中，Ecer公开了一种在已经形成铸造空洞之后对其进行填充的方法。在将铸件推压到两个电极之间、并且施加足以导致空洞附近局部熔融的电流之后，需要对空洞进行检测和绘制。从而内部空洞塌缩并且迁移至表面，形成一个可以被填充的凹坑。该方法显然不适于消除固态杂质、例如硫化物和硅酸盐。
在日本专利No.JP56050705A2中，Fukuoka等人建议在连续铸造过程中对锭坯施加辊压。该压力用于防止在铸成槽的底部上产生裂纹。轧辊位于将弯曲的锭坯矫直的点上。这一过程显然无助于减少夹杂物或改善金属的微观结构。
Lowry等人在美国专利No.4,770,724中描述了一种与众不同的金属连铸方法，声称消除了空洞和裂纹，并且可生产出密度均匀的产品。这是通过利用电磁场迫使金属反抗重力向上流动来实现的，所述电磁场还提供抑制力(containment force)。这一工艺限于小横截面的产品，并且不能用于大的铸锭板坯和初轧坯。
发明目的
因此，本发明的一个目的是消除现有技术的铸造方法的缺点，并且提供一种用于生产质量更好的锭坯和其它铸件的改进的方法和设备。
本发明进一步的目的是提供一种设备，该设备将支晶分解成小片，并因此减小最终铸件的晶粒尺寸。本发明的再一个目的是在凝固过程中对液态金属进行搅拌，以便提高均匀性并允许低密度夹杂物和气体上升至铸件的表面。
发明概述
本发明是通过提供一种用于减少金属铸件中缩孔、夹杂物、气孔和晶粒尺寸并且用于改善其中的均匀性的设备来实现上述目的的，所述设备包括：
a)至少一个用于形成于正被铸造的金属铸件的上表面上方的移动电弧的电极；
b)一个在浇注过程之中或之后将所述电弧电极悬挂在所述金属铸件的上表面上方的支架；
c)一个可以附加到正用于铸造的模具的金属表面上的第二电极，用以实现包含所述电弧的电路；以及
d)连接在所述设备和一个电源之间的电子控制器。
在本发明的一个优选实施例中，提供一种电弧铸造设备，其中，设有多个电极，每个电极可定位在一个砂型或永久铸模的至少一个冒口上方，用以在各个冒口之上产生独立的移动电弧。
在本发明的一个优选工艺中，提供一种用于减少金属铸件中的缩孔、夹杂物、气孔和晶粒尺寸并且用于提高均匀性和成品率的方法，所述方法包括：
步骤a)将液态金属浇注到一个模具中；
步骤b)提供一个电弧电极并且将其定位在略高于熔融金属上表面的位置上；
步骤c)向电极施加电流，以便在所述电极和液态金属的上表面之间形成电弧，从而对液态金属进行搅拌，若存在粗大的支晶则可将其破碎，并且保持一个金属中间熔池，以便对在铸造过程中由于冷却收缩而形成的空洞进行填充；以及
步骤d)通过施加一个电流使电弧在所述上表面上方连续运动。
下面将对本发明方法和设备的进一步的实施例进行说明。
在美国专利No.4,756,749中，Praitoni等人描述并要求保护一种用于从一个具有几个铸嘴的中间包连续铸造钢材的工艺。在中间包(tundish)中，对钢进行进一步的加热，在权利要求5中，它是通过一个过渡电弧等离子焰炬进行的。Henryon在美国专利No.5,963,579中公开了一种类似的工艺。将金属从中间包浇注到模具中的同时气体的吸收会重新出现，并且没有解决气孔和偏析的问题。
与之相对照，本发明描述了一种用于在凝固过程中直接对铸件的上表面施加电弧的方法和设备。已经被说明的这种设计的优点是由于在铸造过程中模具中的金属自身进行搅拌而获得的。如图9所示，这种搅拌恰好在将要凝固之前将粗大的支晶破碎成较小的固体，并因此改善了晶粒的结构。搅拌还可以使气泡上升至液体的项部并逸出。缩孔被完全消除，并且杂质聚集被打破并分散。
因此，从对比照片和可从附图中看出的进一步的数据中清楚地表明，本发明的新型设备极大地提高了铸件的质量和均匀性，并且在其中获得了一致的硬度。
应当强调，所描述的方法和设备已经经过实际的测试。例如，已经制造出根据本发明权利要求8和17所述的用于气缸体盖的砂型铸造的12-盖设备，并且已经对其进行了操作，以便实现本发明的目的。在图15中还可以看到一个体积减小且铸造生产率提高的冒口的例子。
【附图说明】
现在，参照以本发明优选实施例为例子所表示的附图，以进一步对本发明进行说明。其中，仅以基本理解本发明所需的程度表示出了结构细节。所描述的例子与附图一起，将使本领域的技术人员可以很明显地得出或理解实现本发明的进一步形式。
在附图中：
图1是在模具中的液态金属的上方施加电弧的电弧电极的详细视图，和一个表示铸件中的电流通量分布的示意图；
图2是表示根据本发明的设备的一个优选实施例的正视图；
图3是位于液态金属上方的一个电极位置的详细剖视图。图3a是设有用于提高电弧径向速度的电磁感应线圈的实施例；
图4是设有用于防止铸造粉末到达电弧工作区的设计的实施例的详细剖视图；
图5是金属被从电极的中心穿过的实施例的剖视图；
图6是设有多个电极的设计的平面图；
图7是利用氩气的旋转弧电极的示意图；
图8是刀片形移动弧电极的示意图；
图9是现有铸件和根据本发明的铸件中的支晶的对比图，其中，晶粒尺寸和支晶被显著放大；
图10和11包括10吨工具钢钢锭晶粒结构的对比照片；
图12是描绘和比较奥氏体晶粒尺寸的图表；
图13是描绘和比较不同钢锭区域的硬度的图表；
图14是现有铸件和根据本发明的铸件中的钢锭空洞的对比图；
图15是现有砂型铸件和根据本发明的同样的砂型铸件中的冒口尺寸的对比图。
本发明的详细说明
首先参考图1，图1是对模具28中的液态金属12施加电弧16并因此在铸件中产生一个电流通量5的分布的电弧电极14的详细视图。这是影响铸件的基本原理。
在图2中看到一个用于采用参照图1所描述的方法生产金属铸件12的设备10。如参照图10-14所描述的那样，该设备10可生产空洞很少或没有空洞的金属铸件，可减少夹杂物、气孔和晶粒尺寸，并且可提高均匀性。
设备10支撑一个电弧电极14，当施加能量时其在被铸造的液态金属12的上表面18上形成移动电弧16。
在浇注之后或浇注过程中，一个支架20和臂22将电极14悬挂在上表面18上方。
从图3中可以更好地看出，第二电极24被安装到用于铸造的模具28的金属表面26上，用以形成包含电弧16在内的电路30。模具28可以被水冷。
用于控制电流和电弧运动的电子控制器32连接于设备10和电源34之间。
优选地，电源34产生DC电流(AC电流、RF稳定器等也同样适用)，并且正极端子连接到电极14上，负极连接到模具28的金属部分26上。
参考其余的附图，类似的参考标号用于表示类似的部件。
现在参照图3a，从中可看到电弧铸造设备42的细节，作为一种选择，所述铸造设备42可以包括一个与电极14相邻的电子线圈44。当对线圈44通电时，电弧16在组件12表面上方的旋转运动中的径向运动增加，并且增加了电弧速度。
图4表示用于在图2所示的模具28中生产纯净的金属铸件的铸造设备46。电极50是中空的，并且其大小足以容纳气体进给管52。图2所示的管54和控制器32引导一个惰性气体流(例如氩气)在正在铸造的锭坯48上表面上方穿过电极50的中空部。气体射流56用于防止金属表面氧化和氮的渗出，并且用于从上表面36去除例如铸造粉末58等非金属杂质。
有利的是，设有一个耐火保护环60，该耐火保护环60优选由陶瓷材料制成，它位于钢锭48的上表面36上。该环60保留非金属杂质的排出物，例如来自上表面36的铸造粉末。
现在参照图5，示出了连续铸造设备62的细节。中空电极64的大小足以允许将接受从其上的中间包70而来的金属68的铸口66从其中插入，并将金属68浇注到模具72中。作为一种选择，至少一部分模具72由金属制成，并且用于电路74的一部分，如图1所示，该部分利用磁性促使电弧朝向铸件76的中心。
该附图表示两个电路30、74。内部高功率电路30提供形成电弧16的能量。外部低功率回路74将中间包70连接到模具72上，并且用于稳定地控制电弧，并将电弧引向模具72的中心。
图6表示设有多个电极14的移动电弧铸造设备78。每个电极14位于大的砂型或永久铸模80的冒口之一(例如一个气缸体盖)的上方。每个电极14具有一个独立的马达82和电路30，并且可以提供能量和在其所在的冒口的上方产生自身的移动电弧。电弧非常有利于液流流过冒口，与传统的铸造相比，可以采用较少且尺寸较小的冒口。在可以看到冒口的图15中将进一步解释这一主题。
下面参照图1至图4说明利用电弧16减少金属铸件中的空洞、夹杂物、气孔和晶粒尺寸并提高均匀性的方法。
该方法包括下述步骤：
步骤A.将黑色或有色金属液浇注到一个具有一导电性构件26的模具28中。
步骤B.提供一个电弧电极14，并将其定位在略高于熔融金属上表面(通常高出2-20mm)的位置上。
步骤C.向电极14施加电流，以便在电极14和液态金属18的上表面之间形成一个电弧。在本优选方法中，该电流为DC电流。电弧连续移动电极的下表面85，以便搅拌液态金属，将可能存在的支晶(图9)打破，并且保留一个金属中心熔池，以便填充在铸造过程中由于冷却收缩而在铸件中形成的空洞。电弧所形成的电流由图1中的箭头5表示。通过这一搅拌形成一个强旋涡，该旋涡可以使气泡和低密度夹杂物到达铸件表面。
图7表示用于连续旋转电弧16的电极设备84，该设备包括两个位于石墨中空电极88内并与其轮廓相切的氩气管86。垂直的氩气射流90迫使电弧16连续旋转，并防止氧化和氮的渗出，并且如上面所述去除例如铸造粉末等非金属材料。
图8表示当需要一个长的开弧路径时(例如用于一细长模具97上)用于使一个电弧沿单一方向连续运动的刀片形电极92。该设备包含一组马蹄铁磁芯94、一个刀片形的电极96和一组线圈98。向电极96施加电流以引发一个电弧16，随后利用一个由线圈98和铁磁芯94产生的磁场从引发点向电极的另一端驱动该电弧。为了引发电弧16，需要在电极边缘93和熔融金属95的表面之间产生一个小间隙。在一个振荡器99的辅助下，产生一个电弧16，所述振荡器99连接到电路101上，所述电路101将电极96、金属95和磁铁连接到电源34上。在端部93引发的电弧高速地沿着电极工作表面向点103运动。在点103处将电弧刹住，并且同时振荡器在点93处产生另一个电弧。
再次参照图1、图4，并同时参照图5，现在将说明一种用于金属锭坯(以及连铸件)28和72的铸造方法，其中包括铸造粉末58的使用。铸造粉末包含氧化物和碳，并且当进行浇注时被引入到模具28中。该粉末防止金属发生氧化，并且用作模具壁和锭坯48之间的润滑剂。
步骤A.将液态金属48或76浇注到模具28或72中。
步骤B.通过喷吹惰性气体(例如氩气)，从正在铸造的锭坯48中的液态金属的上表面36去除铸造粉末。优选地，惰性气体流一直持续到铸造结束，以便防止铸件氧化和氮的渗出，同时还部分地保持液态。
步骤C.通过将一个耐火保护环60放置在铸件的上表面36上，以防止铸造粉末的返回。
步骤D.设置一个电弧电极50，并将其定位在略高于熔融金属的上表面36的位置上。
步骤E.向电极50施加电流，以便在电极50和上表面36之间形成一个电弧16，从而搅拌液态金属48，以便如果存在粗大的支晶则将其打破，且可以使包含气体的低密度杂质到达上表面，并且保持一个金属中心熔池，以便填充在冷却收缩过程中在铸件中形成的空洞。
步骤F.在上表面的上方连续移动电弧16。这种移动是由一个正确形成的电极50自动产生的。
再次参照图6，采用下述铸造方法制成一个大的砂型铸件80，并通过多个冒口送入金属。
步骤A.将液态金属浇注到一个模具80中。
步骤B.设置多个间隔开的电弧电极14，并且将各个电极14定位在略高于各冒口上表面的位置上。
步骤C.向电极14施加一个电流，以便在电极和液态金属上表面之间形成一个运动的等离子体区。
现在参照图9，其中描述了形成支晶104的过程中两个铸件100、102的凝固过程，为了便于说明，将其以非常大的比例表示出来。该图示出了与模具110的壁106和底部108相邻处的凝固，而在其中心区域保留着熔融金属112。所示模具110a的左侧包含一个传统的铸件，该铸件具有从模具壁106开始且在支晶104处结束的宽的柱状晶体生长区114a。所示模具110b的右侧保持一个利用本发明的方法生产出来的铸件102。可以看出，狭窄的柱状晶体生长区114b从模具壁106开始并且结束于断裂的支晶116处，分枝段118形成一个新的小晶体。利用移动电弧等离子体的搅拌作用使该支晶分枝断裂，并且用以形成一个新的小结晶中心。
图10表示两个10吨工具钢的微观结构。在锭坯的中心从靠近各锭坯的顶部、中间和底部的各位置处切下试样。图样是以50X的倍率腐蚀而成的。左侧是从传统铸锭腐蚀出的照片120、122、124，示出了一个粗大的晶粒结构和较差的均匀性。右侧是从利用本发明方法生产出的铸锭上腐蚀出的照片126、128、130，示出一个较细的晶粒结构和大大改善了的均匀性。
图11表示两个10kg AlSi10Mg锭坯的微观结构。从锭坯的顶部附近的区域切下试样。图样是以125X的倍率腐蚀而成的。左侧是从现有的铸锭上腐蚀出的照片132、134、136，示出了一个粗大的晶粒结构和较差的均匀性。右侧是从利用本发明的方法生产的铸锭上腐蚀出的照片138、140、142，表示出较细的晶粒结构和大大改善了的均匀性。
图12图示了在相关长度144、146、148和相关半径的三个位置上对各个棒材进行九次测量所获得的两个工具钢棒材的奥氏体晶粒尺寸。奥氏体奥氏体或伽玛铁是碳在铁中的固溶体，并且其晶粒尺寸对于任何准备进行热处理的钢都很重要。将方块连接起来的线表示利用现有的铸锭制成的钢棒。将圆点连接起来的线表示利用本发明的方法处理的锭坯。该结果显示，在所有位置上晶粒尺寸均变小，改善的程度在锭坯底部中心可以忽略，而在其中心顶部则改善了7倍。
参见图13，表示与图14所示的两个1.6吨钢锭154、156的硬度相关的对比图解。对于每个锭坯，在从锭坯底部起的六个高度处对侧表面150和轴向区域152测量硬度。与图11一样，连接方块的线表示利用现有的铸造方法制成的锭坯，而连接圆点的线表示利用本发明的方法进行处理的锭坯。现有铸锭表现出比利用本发明方法生产的锭坯高得多的变化。
现在参照图14，可看到先前参照图13的两个1.6吨钢锭154、156在沿轴向穿过其中心切开并抛光之后的照片。现有的铸锭154中示出了由于缩孔造成的巨大空洞158。在根据本发明的方法铸造的锭坯156中显然没有空洞。
图15表示两个钢制砂型铸件160、162，其各自的外部尺寸大约为800×650mm，并且壁厚在50和75mm之间。各铸件160、162重310kg，并且分别通过一个单一的冒口164、166铸造。左侧的铸件160是利用现有方式生产的，被废弃的冒口164的重量为140kg。右侧的铸件162是利用本发明的方法生产的，可以采用废弃重量仅为26kg的冒口166。
图15b表示两个铝制气缸体盖砂型铸件168、170。所述铸件分别具有10个冒口172、174，铸件168是利用传统方式和全尺寸冒口铸造的，而铸件170是利用本发明的方法并将图6所示的设备78用于各冒口上铸造而成。冒口的质量减少了73％。
所描述的发明的范围意在包括下述权利要求范围内的所有实施例。前述例子举例表示了本发明的有用形式，但是这并不限制本发明的范围。本领域的技术人员应当理解，在不超出下述权利要求的范围内可以很容易地设计出本发明的其它变型和改进。